第九章材料科技館的發展介紹
人類文明的足跡，實際上就是一部活生生的材料發展史。早期人類的生活基本上是依賴大自然的恩賜，後來發明了製陶術，認識了礦石，學會了冶煉金屬，出現了青銅器和鐵器……人類的生活才逐步有了改善。曆史上的石器時代、青銅器時代和鐵器時代，就是以材料作為劃分時代的依據和人類文明進步的標誌。
社會發展到了科學技術高度發達的今天，新材料已成為發展高新技術、實現物質文明和精神文明的物質基礎。現在人們已可坐在家裏，通過“信息高速公路”了解世界的風雲，“遊覽”各國的博物館、圖書館，共享全球範圍的信息資源。然而，如果沒有由玻璃拉製成像頭發絲那樣細的光纖材料，建造“信息高速公路”就成為一句空話；沒有耐燒性的高溫、高強度結構材料，人類就難於登上月球，航天飛機也不可能往返於地球與太空之間；沒有電子材料的工業化生產，就不可能有當前的電子計算機技術和微電子技術……任何先進技術都離不開材料、設計和製造。也就是說，材料對時代文明和技術進步起著決定性的作用。
1超導現象
當某些金屬導體置於接近絕對零度（-273．16℃）的超低溫環境中時，其電阻會消失為零。科學家把這種現象叫做“超導”現象，而具有超導性質的物質稱為“超導體”或“超導材料”。目前已發現的超導體有汞、鉛、袒、铌、鋅等30多種純金屬和上萬種合金及化合物。它們在用“無電阻”的魔力創造出一個個驚人的奇跡。
利用零電阻的超導體製成的“超導發電機”，其發電效率可高達98％（一般發電機發出的電約有10％被自身消耗了）。
用超導體製成的“超導儲能器”，能把電力網多餘的電儲存起來，需用時再放出來，其充電和放電效率可高達95％左右，是其他儲能裝置無可比擬的。
以超導體製成的“冷子管”，靈敏度非常高，可用來測量遙遠星體射來的微弱的光、然而它消耗的電能卻少得出奇，100萬個冷子管僅耗電半瓦。
2超導發電機
1973年，美國就試製成功世界第一台5000千瓦的超導發電機，其重量隻有普通發電機的1／10，而成本僅是後者的一半左右。到了80年代，美國已製成功率達30萬千瓦的超導發電機。普通發電機的發電能力超過100萬千瓦就很難提高了，而超導發電機在100萬千瓦的基礎上再擴大20倍也是完全可行的。
3超導儲能器
超導儲能器主要由巨型超導電纜回路組成。在夜間用電低穀時期，可將過剩的電能儲入超導儲能器中；白天用電高峰時，再將電能饋入電網。美國已設計了500萬度的大規模超導儲能裝置，采用铌鈦超導合金回路，液氦冷卻。它的環形回路直徑達1500米，埋在地下。這種超導儲能器的能量損耗很少，因而其充電和放電效率達90％～95％。這是其他類型儲能裝置所達不到的。
超導儲能器是以電能和電磁能的直接轉換來儲能和放能的，因而其效率非常高。用超導磁體製作的超導線圈，能使電流在其閉合回路中無損耗地持續流動不息，儲存的能量可持久地保存下去；而一旦需要，又能隨時釋放出來，使用非常方便。
4超導列車
超導磁懸浮列車利用設在路麵上的超導線圈與列車的超導線圈磁場間的排斥力，使列車在啟動前懸浮起，距離軌麵幾厘米，此後便一直騰空飛馳，完全消除了有輪列車車輪與軌道的摩擦阻力，從而使列車的速度大幅度提高。
目前，世界上最快的普通火車的時速僅200多千米，由於車輪與導軌之間的摩擦阻力的影響，速度很難再提高了。而超導列車的時速可達550千米，趕上了普通飛機的速度。它的載重量卻是客機無法相比的。如果進一步減小超導列車行駛時所受的阻力，甚至可在沒有空氣阻力的真空隧道裏運行，其時速可提高到驚人的1600千米，完全可與現代噴氣式客機媲美。
5超導高速計算機
隨著電子計算機向高速化發展，要求電子元件和電路密集排列，但密集排列的電路工作時會發出大量的熱，影響計算機的正常工作和使用壽命，這是計算機硬件發展中的一個難題。使人們轉憂為喜的是，現在的元件之間的連接電路可以用無電阻、不發熱的超導電路取代，從而使所麵臨的難題迎刃而解。
另一方麵，利用超導材料製成的超導器件，可作為電子計算機的邏輯電路或存儲器，具有運算速度特別快的特點。
超導器件的另一個特點是，隻有電流超過某一臨界值時，超導器件才會產生電壓降；而在臨界電流內，超導器件就是零電阻，無電壓。利用這種無電壓狀態和有電壓狀態的高速變化，可分別對應於二進製數中的“0”和“1”的邏輯動作，從而可用作電子計算機中理想的超高速開關器件，並由這種超導開關器件和超導存儲器等進而組成新型高速計算機，即超導高速計算機。它的運算速度比普通計算機高幾十倍。
6超導電磁推進船
超導電磁推進船的船體內部裝設有超導磁體，在船體外部的海水中形成磁力線。與此同時，由船上的電極向海水通電。這樣，海水中的電流與磁力線相交產生排斥力，而將海水壓向船體後方，從而產生推進力，將船推動前進。
與普通船相比，電磁推進船的行駛速度快，效率高。由於它沒有電動機和螺旋槳之類的轉動部分，不僅噪音和振動都很微小，而且不需要采取海水密封裝置等。這對於大噸位運輸船、深水航行船，特別是海軍艦艇來說尤為重要，有著廣闊的實用前景。
7超導核磁共振儀
超導核磁共振儀是一種新型的醫療診斷器械。用核磁共振儀檢查時，將人體放進一個長圓筒形的超導磁場裏。在磁場的作用下，人體各部位組織的氫原子核（因為人體內有75％的成分是水，而其餘的蛋白質和脂肪也都含有氫原子）就會發生共振信號。不同的組織器官及其病變的磁共振信號是不同的，通過計算機再成像，就可獲得人體任意斷麵的清晰圖像。
超導核磁共振儀用於診斷的優點是：它不需要進行組織切片，即可確定是否有病變組織，因而可用於早期診斷腫瘤、腦髓及心血管疾患，並可用於測量血流和監控醫療過程，還能用來了解人體的新陳代謝狀況。
8鎳鈦合金
鎳鈦合金的拉伸強度可達1000兆帕。也就是說，每平方毫米那樣小的斷麵上需要100多幹克的力才能把它拉斷，比一般的鋼鐵強度還高，同時還具有很好的“記憶”性能和耐腐蝕性能。
鎳鈦諾爾合金中含有50％鎳和50％鈦，即鎳、鈦的成分平分秋色，各占一半。它的形狀記憶的溫度範圍可通過控製成分來調整。通常是，鎳鈦諾爾合金的含鎳量越高，工作溫度就越低。當含鎳55％和含鈦45％時，記憶合金能在室溫下工作。人們已利用記憶合金的這一特點，製成了用記憶合金絲穿成的珍珠項鏈和手鐲，以及采用夾有記憶合金絲編織的乳罩等。這些裝飾品和保健品佩帶在身上，會在人體的體溫作用下恢複原有的彎度和挺度，從而起到裝飾和保健作用。另外，還可以用鎳鈦諾爾合金製成矯齒絲，利用人的口腔溫度來矯正畸形齒。
9超塑性合金
在新材料家族中，有個性能奇異的合金，它在適當的溫度（約相當於其熔點溫度的一半）下，原來那種強硬堅韌的特性消失了，變得如麵團一樣柔軟，並能像泡泡糖一樣伸長10倍、20倍，甚至100倍，人們不用多大力氣就能將它加工成型，好像捏麵人似的。這種奇特的新材料，就是超塑性合金。
當將超塑性合金加熱到超塑性溫度後，用較小的力就能伸展幾倍甚至幾十倍之多，甚至隻要使用一般的壓縮空氣就能使其“吹脹成型”。假若人們帶上隔熱手套，就能像揉麵團那樣把它揉捏成不同形狀。實際上、有人就曾采用超塑性合金吹製“金屬氣球”，並進行現場表演。
10非晶態合金
如果將不鏽鋼和一種叫做鐵鉻磷碳合金同樣泡在三氯化鐵溶液裏進行實驗，就會發現不鏽鋼在一年內被腐蝕達幾十毫米，而鐵鉻磷碳合金卻完好無損，安然無恙。這種性能優異的合金，就是脫穎而出的材料新星——非晶態合金。由於它與玻璃的結構相似，人們又給它起了個通俗的名字——金屬玻璃。
通常使用的不鏽鋼等金屬材料，它們的原子像晶體一樣排列整齊，有一定秩序，所以叫做晶態合金。而金屬玻璃是人們用1秒鍾降低10萬～100萬攝氏度的急速冷卻的辦法製成，由於以如此快的速度從液體冷卻到固體，以致使金屬中的原子來不及重新按固體晶格有次序地排列，而將液體金屬原子的任意排列方式保留下來，結果就形成了類似於玻璃一樣的無固定形態的合金。
目前，在實際中應用的金屬玻璃，大多是薄如紙（厚度30微米左右）的帶材和絲材，其光澤似不鏽鋼，但卻具有高碳鋼的硬度和鋼琴絲的強度。它的維氏硬度超過1000，抗拉強度達300千克／平方毫米以上。與此同時，它的耐蝕性超過不鏽鋼，磁導率優於磁性材料，而且還具有超導性和吸氫性等特殊性能。
1980年，又出現了能製造金屬玻璃絲材的水中旋轉紡絲法。這種方法是將熔融合金通過噴嘴噴到依靠離心力而隨滾筒高速旋轉的冷卻水中製成金屬玻璃絲的。目前，用這種方法已能生產直徑為0．2毫米長達數千米的金屬玻璃絲。
11新型變壓器
1980年6月，美國聯合公司首先製成了金屬玻璃鐵芯變壓器，與矽鋼片鐵芯變壓器相比，其磁導率高，電阻率大，損耗僅為矽鋼片的1／3，從而可節約大量的電能。
日本的新日本鋼鐵公司從1981年與日本東北大學共同研究開發電力變壓器鐵芯用金屬玻璃材料，已製成新型的變壓器鐵芯。他們是把配好的鐵、硼、矽等原料先在高頻電爐中熔化，然後將合金熔體噴射到高速旋轉的冷卻輥上，一瞬間即可製成厚30微米、寬150毫米的用來製作鐵芯的金屬玻璃薄帶。
金屬玻璃由於具有良好的軟磁特性，以及低的鐵損耗和低密度等優點，因而也是航空變壓器比較理想的鐵芯材料。用金屬玻璃製成的800赫航空變壓器，比傳統的矽鋼片變壓器的重量減輕了11％，體積減小了19％，空載電流降了70％，較坡莫合金變壓器的重量減輕得更多。
12電磁器件
1980年，日本索尼公司用金屬玻璃製成了市場上第一件民用產品——電唱機抬音卡盤。金屬玻璃是用在把電唱機的機械振動轉換為電信號的磁路上，使電唱機能發出非常優美的音質。隨後，日本TDK公司用金屬玻璃製成錄音機磁頭，由於金屬玻璃所具有的優異磁性，因而顯著地改善了音質。磁頭要求所用材料的磁導率越高越好，同時還要求高的耐磨性和耐腐蝕性。而金屬玻璃不僅能滿足這些要求，而且由於無晶界而避免了磁頭尖部的脫落損傷。
13儲氫合金
氫是一種高效能燃料。1千克氫燃燒可放出14萬焦耳的熱量，是汽油發熱量的3倍，而且它燃燒後即成水，不汙染環境，可以說是一種取之不盡的清潔能源。另外，氫還是合成氨、煉油、半導體和食品加工工業所不可缺少的原料。
然而，氫容易爆炸，這就給使用、運輸和儲存帶來困難。氫在常溫下是氣體，大都用鋼製的氫氣瓶來儲存。但氫氣瓶存儲的氫氣有限，所裝氫氣重量不到氫氣瓶重的1％，既笨重，又有爆炸的危險。
20世紀60年代，材料王國裏出現了能儲存氫的金屬和合金。
儲氫合金儲氫，比氫氣瓶的本領大多了。它儲氫量大，使用方便，還可免去龐大的鋼製容器。用氫時，將儲氫合金加熱，氫就能及時釋放出來，而且還可通過調節加熱溫度和合金的成分來控製合金釋放氫的快慢和數量。
14儲氫合金壓縮機
利用儲氫合金放氫時所產生的壓力，通過適當的動力轉換裝置，即可轉變成有用的機械能。用儲氫合金製作的壓縮機，當向裝有儲氫合金填充層的壓縮機內輸入低壓氫氣時，儲氫合金便吸氫放熱，將氫儲存起來，而放出的熱量用通入管子的冷水吸收，然後，將熱水通入管子，使儲氫合金加熱，它便吸熱並放出高壓氫氣，可用來作為驅動力。這種壓縮機由於沒有複雜的機械零件，所以結構簡單，製造成本低，而且工作中不產生噪音，也不會發生機械故障。用儲氫合金製成的小型驅動器，因為氫氣有緩衝作用，所以耐衝擊和過負載，而且重量輕，無噪聲，能產生相當大的驅動力。美國、日本等國已利用儲氫合金製作機器人的驅動裝置，既靈敏可靠又輕便。